Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thái Hà Sinh viên Trịnh Thị Yến Lớp ĐTTT 04 K58 MSSV 20134724 Hà Nội, 102016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 2 1 GIỚI THIỆU 3 2 2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT 4 2 2 2 TƯƠNG TÁC QUANG ĐIỆN 5 2 2 2 TÁN XẠ THOMSON 7 2 2 3 TÁN XẠ COHERENT 10 2 2 4 TÁN XẠ COMPTON BỞI ELCTRON TỰ DO 12 2 2 5 HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ TÁN XẠ 15 2 2 6 TÁN XẠ INCOHERENT.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI: TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Hà Sinh viên : Trịnh Thị Yến Lớp : ĐTTT 04-K58 MSSV : 20134724 Hà Nội, 10/2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2.1 GIỚI THIỆU .3 2.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT 2.2.2 TƯƠNG TÁC QUANG ĐIỆN 2.2.2 TÁN XẠ THOMSON 2.2.3 TÁN XẠ COHERENT .10 2.2.4 TÁN XẠ COMPTON BỞI ELCTRON TỰ DO 12 2.2.5 HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ TÁN XẠ 15 2.2.6 TÁN XẠ INCOHERENT 15 2.2.7: HIỆU ỨNG TẠO CẶP 16 2.3 HỆ SỐ SUY GIẢM PHOTON 17 2.3.1 HỆ SỐ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH 17 2.3.2 SUY GIẢM THEO LUẬT SỐ MŨ 18 2.3.3 HỆ SỐ SUY GIẢM KHỐI LƯỢNG .18 2.3.4 HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHỐI LƯỢNG VÀ HỆ SỐ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG KHỐI LƯỢNG 19 2.3.5 SỰ ĐÓNG GÓP CỦA TỪNG TƯƠNG TÁC TỚI HỆ SỐ SUY GIẢM KHỐI LƯỢNG TOÀN PHẦN .20 2.3.6 HỆ SỐ CỦA HỢP CHẤT VÀ HỖN HỢP 21 2.4 TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT 22 2.4.1 TƯƠNG TÁC ION HÓA (VA CHẠM) VÀ NĂNG LƯỢNG ION HÓA HAO HỤT 23 2.4.2 TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VÀ NĂNG LƯỢNG HAO HỤT BỨC XẠ 24 2.4.3 NĂNG LƯỢNG HAO HỤT TOÀN PHẦN 24 2.4.4 NĂNG LƯỢNG HAO HỤT TRONG HỢP CHẤT VÀ HỖN HỢP 25 2.4.5 CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TUYẾN TÍNH 26 2.5 NGUỒN DỮ LIỆU 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH 28 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc khoa học kĩ thuật giúp nâng cao, cải thiện sống người lĩnh vực, mà cụ thể y tế chẩn đoán, điều trị chăm sóc sức khỏe người Mà tác dụng việc chẩn đốn hình ảnh X quang đóng vai trị quan trọng việc chẩn đốn bác sĩ Vì vậy, việc hiểu chế, cách thức tạo tia X cách mà tia xạ tương tác, hạt mang điện tương tác với vật chất đóng vai trị hêt sưc quan trọng Vì mà mơn chẩn đốn hình ảnh 1, em chọn đề tài tương tác xạ với vật chất để làm đề tài tập lớn Trong q trình dịch có điều sai sót mong nhận góp ý cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Nguyễn Thái Hà hướng dẫn em hồn thành tập 2.1 GIỚI THIỆU Chương giải vấn đề vật lí kiện xuất photon electron tương tác với vật chất Đó xạ quan trọng ngành chẩn đoán X quang, tương tác dẫn đến suy giảm hấp thụ tán xạ giải Những tương tác khác, ví dụ tương tác hạt nhân khơng xem xét chúng xảy xạ có mức lương cao mức lượng dùng chuẩn đoán Năng lượng tia X khoảng vài chục KeV hay có bước sóng nanometers Vì phạm vi kích thước nguyên tử, người ta kì vọng vào tương tác diễn xạ điện từ nguyên tử Kích thước nguyên tử (bán kính cổ điển electron 2.8 pm) tương ứng với mức lượng cao dải quang chẩn đoán tia X người ta kì vọng khu vực chung mà nơi xảy tương tác xạ điện từ electron Đó khả Giới hạn lượng thường dùng chẩn đốn X quang nói chung nằm ranh giới vật lí cổ điển vật lí lượng tử Dựa theo “ nguyên lí bổ sung” chi tiết số tương tác xử lí lí luận cổ điển cách thích hợp cân nhắc học lượng tử để đem lại kết cao Diễn biến photon electron qua vật chất khác Tương tác photon nói chung khơng xảy ra, một, vài tương tác có suy giảm theo hàm mũ Tính tốn trực tiếp hiệu kết hợp số tương tác khó, kĩ thuật Monte Carlo thường sử dụng để nghiên cứu vận chuyển photon thông qua môi trường khối Tương tác photon thể tiết diện tương tác riêng lẻ hệ số suy giảm môi trường khối Các electron trải qua số lượng lớn tương tác nhìn chung dần lượng chúng bị dừng lại Điều thể giới hạn phạm vi electron lượng vật chất cản trở 2.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT Sự tương tác xạ photons electrons ngẫu nhiên tuân theo luật ngẫu nhiên Với xạ photons, khái niệm tiết diện tương tác có mối liên hệ trực tiếp với xác suất Điều giải thích đơn giản coi photon đơn lẻ tới vật liệu khu vực A có chứa mục tiêu khu vực cắt ngang σ Xác suất photon tương tác với mục tiêu có tỉ lệ σ/A Tiếp theo đó, nói đến photon, chúng hướng cách ngẫu nhiên đến diện tích A, diện tích A chứa mục tiêu n, với khu vực σ Kì vọng vào số lượng tương tác ΔΦ photon vật chất là: ∆Φ = Φ (n /A) Cụ thể vấn đề theo cách khác xác suất hạt bắn phá tạo va đập n(σ/A), phần nhỏ khu vực bị chặn mục tiêu Giả sử rằng, thay đổi chút mơ tả hình học mục tiêu nguyên tử Tiết diện tương tác tiết diện tương tác ngun tử Đó khơng phải khu vực thực tế nguyên tử khu vực ảnh hưởng đến tương tác photon nguyên tử Tiết diện tương tác thường đại diện σ, thông thường thể đơn vị diện tích gọi barn Có tương tác tạo tia X mà ta cần xem xét, mà tương tác gắn kết với mặt cắt cụ thể dùng để làm biểu tượng đại diện cho tương tác: biểu tượng tiết diện tương tác photon tới tương tác với nguyên tử gây tượng quang điện, σcoh đại diện cho tương tác gây r tán xạ Coherent, σincoh đại diện cho tán xạ Incoherent κ tạo cặp Ba tương tác nói đầu có vai trị quan trọng có mức lương chẩn đốn đạt đến 150KeV, cịn tương tác thứ bốn quan trọng dùng mức lượng cao nhiều phải xử lí cẩn thận 2.2.2 TƯƠNG TÁC QUANG ĐIỆN Trong hiệu ứng quang điện, cố photon tương tác với nguyên tử gây trạng thái kích thích Năng lượng vượt mức giải phóng phát hay nhiều electron xung quanh hạt nhân Electron phát gọi photoelectron rời khỏi nguyên tử với động bằng: T = hv - Es Trong đó: Es lượng liên kết lớp vỏ electron đến electron h số Plang v tần số photon Năng lượng chuyển giao cho nguyên tử bật khỏi trạng thái cân nhỏ bị bỏ qua Hiệu ứng quang điện xảy lượng photon hv vượt qua lượng liên kết electron lớp vỏ Xác suất lớn để lớp vỏ nguyên tử electron thỏa mãn yêu cầu đồng thời electron phải có mức lượng liên kết lớn Mặc dù tưởng chừng q trình đơn giản, tính tốn xác suất tương tác phức tạp đòi hỏi đến lượng tử bao gồm hàm bước sóng tồn đám mây electron ngun tử hàm dùng cho nguyên tử tương đối đơn giản Trong chẩn đoán, lượng đạt đến 150 KeV, hiệu ứng quang điện tiết diện tương tác nguyên tử, t, tính xác qua cơng thức: (2.3) Trong đó: K số Z số hiệu nguyên tử n số mũ giới hạn 3.6 – 5.3, giá trị lớn với nguyên tử có số hiệu nhỏ m số mũ giới hạn 2.5 – 3.5, giá trị lớn với nguyên tử có số hiệu nhỏ Sự phụ thuộc điển hình giới hạn lượng photon chẩn đoán là: = Công thức cho thấy phụ thuộc mạnh mẽ vào số hiệu nguyên tử Z nghịch đảo lượng photon Hình 2.1 số liệu tiết diện tương tác nguyên tử trình quang điện photon chiếu xạ vonfram, molypden đồng Chúng chia mưc lượng photon dựa vào tỉ lệ log – log bao gồm dải lượng từ 1KeV – 30KeV, gián đoạn đột ngột tương ứng với vị trí biên hấp thụ vật liệu khác nhau, nghĩa tăng lượng tăng số hiệu nguyên tử lượng liên kết lớp vỏ Ví dụ, với vonfram điểm gián đoạn 69.5KeV thể tác động lớp K Tại mức lượng thấp 69.5 tiết diện tương tác 6.4 ×102 barn/atom, mức 69.5 hệ số 3.3 ×10 barn/atom Điều thể tăng đột ngột tiết diện tương tác hệ số năm lượng photon tăng lên phân lớp K Do đó, yếu tố góp phần làm cho tiết diện tương tác lớn mức K đến từ tương tác electron phân lớp K, Sự gián đoạn tiết diện tương tác vonfram mức lượng lớn 10 KeV thể tác động phân lớp L, điều phức tạp bao gồm phân mức Sự tương tác lớp M khoảng 2.5 KeV với cấu trúc ngày phức tạp Với đồng molypden hấp thụ lớp K 8.98 20.000 KeV Hình : Tiết diện tương tác hiệu ứng quang điện Cu, Mo, W Các photon vốn có biến trình tương tác quang điện Sau tương tác, có trỗng rỗng lớp vỏ nguyên tử điền đầy electron từ lớp cao vỏ nguyên tử lượng chuyển sang lượng khác tia X đặc trưng (cũng biết phát quang tia X) từ electron từ lớp cao khác biết electron Sau vị trí trống ban đầu điền đầy, hay nhiều chỗ trống tự điền đầy trình tiếp tục với tầng kiện mà electron rời khỏi nguyên tử cuối trạng thái ion hóa cao 2.2.2 TÁN XẠ THOMSON J.J Thomson đưa nhìn tán xạ photon electron từ sớm năm đầu kỉ 20 Nó nghiên cứu sớm sóng mơ tả phương trình Maxwell hi vọng tương tác với electron Bắt nguồn phát ông vấn đề quan tâm lịch sử, điều phụ thuộc vào vật lí cổ điển kết mơ tả tán xạ photon có nghĩa giới hạn lượng thấp tương tác Hình 2 góc tán xạ góc khối Chúng ta coi phát Thomson bước định hướng nhìn tiết diện tương tác tán xạ Coherent Incoherent nguyên tử Đầu tiên giới thiệu khái niêm khác tiết diện tương tác Trong toàn tiết diện tương tác liên quan đến xác suất electron tương tác, tiết diện tương tác khác dσ/dΩ liên quan đến xác suất mà photon tương tác bị tán xạ bên góc khối dΩ (hình 2.2) Xác suất tương ứng với: (2.5) Và toàn thu lấy tích phân tất góc khối (2.6) Trong chẩn đốn X quang, hình dáng tiết diện tương tác có ảnh hưởng quan trọng đến số lượng xạ tán xạ ghi lại thu hình ảnh Với tán xạ photon gây elctron đơn tự do, Thomson tiết diện tương tác khác góc tán xạ θ đưa công thức: (2.7) Trong biểu thức này, r0 bán kính cổ điển electron tính bởi: (2.8) Với: k hệ số tỉ lệ tính theo luật Couloum e điện tích electron m0 khối lượng nghỉ electron c tốc độ ánh sángNó nhìn thấy Eq (2.7) dự đoán lượng lượng tán xạ trước, sau giống lượng tán xạ góc bị giảm nửa Ngoại trừ mức lượng thấp, kết trái với dự đoán học lượng tử Biểu thức (2.7) mô tả xác suất xạ tán xạ qua đơn vị góc khối góc tán xạ θ Một cách khác thể khác tiết diện tương tác tán xạ bao gồm mô tả xác suất tán xạ góc khối độ rộng góc hình khun dθ trung tâm góc θ Với photon khơng phân cực, chúng không phụ thuộc vào xác suất tán xạ phương vị góc tán xạ, sử dụng mối liên hệ hai góc khối: (2.9) Toàn tiết diện tương tác tán xạ Thomson có sử dụng Eq (2.9) để chuyển đổi dΩ thành dθ tích phân tiết diện tương tác khác (Eq (2.7)) tất góc tán xạ từ đến π Tích phân đơn giản đưa ra: hướng thẳng tăng với xung lượng chuyển tăng, đạt đến giá trị Z số lượng electron nguyên tử Điều mô tả hình 2.7, hình biêu diễn hàm tán xạ incoherent chuẩn hóa (S/Z) cho ba thành phần: Hình 7: Sự thay đổi hàm tán xạ incoherent chuẩn hóa S/Z với chuyển đổi xung lượng tham số x, liệu carbon, sắt, platinum Tiết diện tương tác tồn phần tán xạ conherent thu tích phân Eq (2.21) Trong nhiều trường hợp, gần bội số tiết diện tương tác electron đơn lẻ số lượng electron nguyên tử: (2.22) 2.2.7: HIỆU ỨNG TẠO CẶP Khi photon có lượng cao đến gần hạt nhân nguyên tử, photon tương tác với trường coulomb hạt nhân trình tạo cặp Photon bị chuyển thành cặp phản hạt electron – positon với lượng Quá trình cân lượng là: (2.23) với điều kiện lượng photon vượt qua ngưỡng lượng tương tác 2m 0c2 (1022 KeV) Hiệu ứng tạo cặp diễn với photon có lượng nhỏ 16 ngưỡng Giống cặp hạt xuất trường hạt nhân, tiết diện tương tác tương tác xác Z2, với Z điện tích hạt nhân Q trình tạo cặp diễn trường electron, gọi tạo ba mục tiêu electron phát xạ với lượng đáng kể Hai electron positon tạo trình chuyển động Ngưỡng lượng cho tạo thành ba m0c2 Ngưỡng lượng cho việc tạo cặp ba cao nhiều so với lượng dùng chẩn đoán ảnh X quang 2.3 HỆ SỐ SUY GIẢM PHOTON Những thảo luận bên có liên quan đến tương tác photon riêng lẻ, nhiên cần thiết để nghiên cứu diễn biến vĩ mô photon qua vật chất Với mục đích này, hệ số suy giảm tuyến tính suy giảm khối lượng sử dụng,mà đơn giản liên quan đến toàn tiết diện tương tác Như nhấn mạnh phần giới thiệu, photon phải trải qua nhiều tương tác chúng qua khối vật liệu Ví dụ, tương tác tán xạ ban đầu theo sau trình tán xạ thứ hai sau tán xạ thứ ba, hấp thụ quang điện khơng có tương tác photon qua khỏi vật chất Hệ số suy giảm tuyến tính suy giảm khối lượng cung cấp nhiều thơng tin q trình photon sơ cấp qua vật chất Trường xạ sâu mối trường bao gồm photon bị tán xạ, góp phần vào việc định lượng mơi trường Chùm tia thoát khỏi khối vật chất bao gồm photon sở tán xạ Giống ghi từ trước, hiệu ứng ước tính tốt sử dụng kĩ thuật Monte Carlo 2.3.1 HỆ SỐ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH Xem xét phiến vật chất mỏng đồng chất với độ dày dx chiếu xạ chùm photon tới photon riêng lẻ xuyên qua vật chất mà không gây tương tác, bị hấp thụ bị tán xạ Từ thảo luận phần 2.2 đưa xác suất để photon tương tác với vật chất tính bởi: (2.24) 17 Na số lượng trung tâm tương tác (nguyên tử) với đơn vị thể tích σ tồn tiết diện tương tác nguyên tử Số lượng Naσ hệ số suy giảm tuyến tính thường kí hiệu Với tán xạ nguyên tử, Na tính từ số Avogadro NA , khối lượng nguyên tử Ar mật độ ρ, vậy: (2.25) Cách diễn đạt nằm hệ thống đơn vị SI, đơn vị m-1 2.3.2 SUY GIẢM THEO LUẬT SỐ MŨ Xem xét phiến vật vật liệu dày để (x) đại diện cho cường độ4 photon mà không gây tương tác với vật liệu xuyên qua với độ sâu x Sự thay đổi d cường độ sau xuyên qua vật liệu có độ dày dx đưa sau: (2.26) Trong đó, dấu âm “-” để biểu thị F giảm, biểu thức (2.26) trình bày lại Eq (2.24), lấy tích phân Eq đưa ra: (2.27) Trong 0 giá trị cường độ ban đầu Biểu thức mô tả suy giảm theo số mũ chùm photon Nó gọi luật Beer Luật thích việc mơ tả số lượng electron khơng tương tác, biết đến photon sở Trong lượng chẩn đốn, photon khác có mặt sâu bên vật chất kết 18 tương tác tán xạ photon phát xạ huỳnh quang photon tương tác quang điện 2.3.3 HỆ SỐ SUY GIẢM KHỐI LƯỢNG Hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào mật độ nghĩa phụ thuộc vào trạng thái vật lí vật chất Dựa vào kết tính tốn, khơng có số lượng thích hợp để biên soạn liệu, đại lượng liên quan đến số lượng / không phụ thuộc vào mật độ dùng để thay Số lượng đại lượng hệ số suy giảm khối lượng đơn vị mét vng kilogam Cần ý hầu hết liệu hệ số suy giảm khối lượng đưa đơn vị cm2 gram (cm2/g) lịch sử người ta biểu diễn theo cách cung cấp số để thuận tiện vận dụng 2.3.4 HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHỐI VÀ HỆ SỐ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG KHỐI Với mục đích phép đo, việc biết lượng chuyển cho electron thứ cấp tương tác cần thiết Hệ số tuyến tính (tr) hệ số chuyển đổi lượng khối (tr/) cho phép tính tốn lượng này, tất số lượng xác định bằng: (2.28) Trong < T > kì vọng giá trị lượng chuyển đổi thành electron thứ cấp 19 Với lượng photon hν vượt qua khoảng cách dx vật chất, lượng d(hν) bị chuyển đổi tương tác tới động electron tính tốn bằng: (2.29) Chúng ta dùng cơng thức để tính Kerma vật liệu phép chia khối lượng cho đơn vị khu vực qua (dm = dx), thu được: (2.30) Một số lượng bị chuyển đổi thành hạt mang điện thứ cấp bị trình xạ bên vật chất, chủ yếu xạ hãm, để tính số lượng người ta sử dụng hệ số hấp thụ lượng khối lượng (en/): (2.31) Trong g phần lượng bị trình xạ Với lượng dùng chẩn đốn X quang coi 2.3.5 SỰ ĐÓNG GÓP CỦA TỪNG TƯƠNG TÁC TỚI HỆ SỐ SUY GIẢM KHỐI LƯỢNG TOÀN PHẦN Chúng ta xem xét bốn chế khác cách riêng biệt mà photon tương tác với vật chất Các hiệu ứng cạnh tranh lẫn nhau, chùm tia photon chúng xuất với xác suất riêng biệt Hệ số suy giảm khối lượng toàn phần tổng tất hệ số suy giảm khối lượng phần, sử dụng Eq (2.25) ta thu được: 20 (2.32) Độ lớn hệ số suy giảm phụ thuộc vào lượng photon số lượng nguyên tử vật chất Hình 2.8 hệ số suy giảm khối lượng nước với photon có lượng từ KeV đến 300 KeV Hình 8: Hệ số suy giảm khối lượng nước ứng với tương tác, lượng cao biểu diễn bên ngưỡng tạo cặp ba Tương tác quang điện có đóng góp vượt trội tiết diện tương tác tồn phần mức lượng thấp Sườn dốc suy giảm mức lượng photon thấp đặc trưng hiệu ứng quang điện tán xạ incoherent (Compton) trở nên vượt trội trì thành phần cịn lại dải lượng chẩn đốn Vị trí giao hai tương tác phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử, với nước khoảng 30 KeV Hình 2.9 biểu diễn so sánh hệ số tương tác vật liệu khác quan trọng chẩn đoán hình ảnh X quang Dải lượng tăng đến 100 KeV vật liệu có số hiệu nguyên tử cao, xuất gián đoạn hấp thụ quang điện 21 khác lớp K, L, M, N rõ rệt Sự khác hấp thụ điểm quan trọng để thiết kế lọc để nắn phổ tia X (đặc biệt X quang vú ảnh dùng tác nhân tương phản Iot) Trạng thái lớp K (s) vật liệu dùng cảm nhận hình ảnh có tác dụng quan trọng hiệu hấp thụ Hình Hệ số tương tác khối lượng toàn phần vật liệu thích hợp cho chẩn đốn X quang 2.3.6 HỆ SỐ CỦA HỢP CHẤT VÀ HỖN HỢP Hệ số suy giảm khối lượng hệ số chuyển đổi lượng khối lượng hợp chất hỗn hợp đồng thu tính tổng hệ số thành phần: (2.33) Trong wi phần trọng lượng chuẩn hóa thành phần i (hoặc thành phần hỗn hợp i) diện chất hấp thụ Hệ số hấp thụ lượng khối lượng thành phần tính lượng electron thứ cấp Từ electron thứ cấp có nguồn gốc từ từ nguyên tử A bị lượng xạ từ yếu tố 22 cấu tạo khác Bổ sung trọng lượng đơn giản gần hệ số hấp thụ lượng khối lượng hỗn hợp miễn lượng xạ biến nhỏ, đưa cơng thức: (2.34) 2.4 TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT Có hai chế lượng lượng electron: ion hóa thiệt hại va chạm, thiệt hại xạ xạ hãm Quá trình việc lượng electron qua vật chất va chạm với electron khác Nếu chúng có khối lượng tổn hao lượng lớn thay đổi phương hướng Kể từ lúc khơng thể phân electron giả thuyết electron rời khỏi va chạm với phần lớn lượng electron tới ban đầu Điều có nghĩa tối đa lượng thay đổi nửa lượng ban đầu Trong điều kiện khối lượng nhỏ electron, tương tác với trường điện hạt nhânvà bị giảm cách nhanh chóng, số lượng xạ phát Nó gọi xạ hãm q trình chịu trách nhiệm tạo tia X chùm tia điện tử đập vào anot Năng lượng bị hạt tích điện qua vật chất nói chung mô tả dung đại lượng gọi lực chặn S Ta định nghĩa S = dT/dx, với dT lượng động lượng bị hạt tích điện khoảng cách dx, thể quan hệ khoảng cách khối lượng ứng với đơn vị diện tích vật chất, đưa lực chặn khối S/: 23 (2.35) với mật độ khối lượng vật chất 2.4.1 TƯƠNG TÁC ION HÓA (VA CHẠM) VÀ NĂNG LƯỢNG ION HÓA HAO HỤT Quá trình gồm va chạm electron xuyên qua vật chất electron vật chất Kết electron bị bật khỏi nguyên tử trở thành ion, lí gọi xạ ion hóa Rất khó để đo tỉ lệ lượng bi tương tác lại dễ tính Bởi electron q nhỏ, hiệu ứng tương đối có vai trị quan trọng với lượng động thấp Cơ học lượng tử sử dụng vấn đề giải lần Bethe vào năm đầu kỉ 20 Biểu diễn công thức Bethe- Bloch mở rộng Sternheimer đưa lượng hao hụt khối: Trong đó, r0 bán kính cổ điển electron, Ne = NA (Z/Ar) với NA số Avogadro, Z số hiệu nguyên tử A r khối lượng nguyên tử vật chất Đại lượng µ0 = m0c2 khối lượng nghỉ electron nhân với bình phương tốc độ ánh sáng, T lượng động năng, β tỉ lệ tốc độ electron với ánh sáng Thuật ngữ mật độ hiệu δ bổ sung sau Sternheimer Hiệu δ làm giảm lượng tổn hao lượng cao Tại 100 MeV, đạt tới 20% I đại lượng bán thực nghiệm gọi lượng kích thích, tính chất vật liệu tăng số hiệu nguyên tử tăng Giá trị I giá trị quan trọng vật chất đưa Viện Quốc Tế Về Tiêu Chuẩn Và Kĩ Thuật 24 Trong vùng lượng thấp 100 KeV thấp nữa, phần trước dấu ngoặc vuông công thức quan trọng Yếu tố 1/2 làm chonăng lượng hao hụt gần tỉ lệ nghịch với động Với lượng 100 KeV, gần chủ yếu nên phần trước dấu ngoặc vuông gần trở thành số, thành phần bên dấu ngoặc tăng chậm với lượng lượng hao xuyên qua tối thiểu khu vực MeV Sự phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử không mạnh mẽ, yếu tố đằng trước dấu ngoặc vuông chứa số lượng electron đơn vị khối lượng đưa N A(Z/Ar) Z/ Ar 0.5 nhỏ với tất vật liệu ngoại trừ hydro Năng lượng hao hụt giảm nhẹ với số hiệu nguyên tử tăng Năng lượng kích thích I tăng với số hiệu nguyên tử tăng, điều nhằm làm cho S ion nhỏ vói vật liệu có số hiệu nguyên tử cao 2.4.2 TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VÀ NĂNG LƯỢNG HAO HỤT BỨC XẠ Khi eletron gần đến hạt nhân, chắn phải chịu lực Coulomb bị chậm lại Năng lượng bị giảm xạ sóng dạng xạ điện từ Phương pháp học lượng tử phức tạp phải thực xác hình thức thích hợp cho kết phụ thuộc vào phạm vi lượng Năng lượng hao hụt xạ khối cho lượng chẩn đoán là: (2.37) Với 0 = (1/137) (e2/0)2 = 0.580 barn/ nucleus Hàm B = B(h/T) hàm biến đổi chậm T Z với giá trị trung 25 bình lượng phi tương đối, T < m0c2 , = 16/3 Những giá trị xấp xỉ khác có giá trị lượng electron tương đối Mặc dù cách thể trông đơn giản Eq (2.36), vấn đề vật lí thực tiễn lại phức tạp nhiều Năng lượng bị trình phụ thuộc nhiều vào số hiệu nguyên tử điều nhìn thấy thơng qua Z2 2.4.3 NĂNG LƯỢNG HAO HỤT TOÀN PHẦN Năng lượng hao hụt toàn phần tổng lượng hao hụt ion hóa xạ đưa Eq (2.36, 2.37): (2.38) Hình 2.10 lượng hao hụt ion hóa, xạ tồn phần nước vonfram Hình 10: Năng lượng hao hụt hụt ion hóa, xạ tồn phần nước vonfram với electron có lượng từ 10 KeV đến 10 MeV Từ hình 2.10 (nước) ta thấy lượng hao hụt xạ vật chất có số hiệu ngun tử thấp ví dụ nước không đáng kể lượng hao hụt tồn phần coi lượng hao hụt ion hóa Hình 2.10 (vonfram) cho thấy lượng hao hụt xạ không lớn nhiều với vật chất có số 26 hiệu nguyên tử lớn vonfram Tại 100 KeV lượng hao hụt xạ có biên độ nhỏ khơng đáng kể so với lượng hao hụt ion hóa 10 MeV chúng xấp xỉ gần Tính chất phổ xạ hãm tạo tia X nói đến chương 2.4.4 NĂNG LƯỢNG HAO HỤT TRONG HỢP CHẤT VÀ HỖN HỢP Năng lượng hao hụt khối xấp xỉ hợp chất hỗn hợp đồng bổ sung trọng lượng lượng hao hụt khối thành phần nguyên tố Coi đóng góp độc lập cho lượng hao hụt: (2.39) Trong wi phân số trọng lượng chuẩn hóa thành phần i bên vật chất Ảnh hưởng liên kết hóa học không bỏ qua 2.4.5 CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TUYẾN TÍNH Năng lượng hao hụt va chạm khối đặc trưng cho lượng bị electron tất va chạm Electron thứ cấp kết va chạm cứng (tia ) mang phần lượng xa đường electron ban đầu khỏi vùng lực hấp dẫn Nếu tượng phạm vi vĩ mô xem xét, tác dụng lượng hao hụt va chạm dẫn đến việc đánh giá cao liều lượng Trong trường hợp việc hạn chế lượng hao hụt phải sử dụng, liên quan đến lượng hấp thụ hạt mang điện thứ 27 cấp mà vượt qua giới hạn lượng Δ, giới hạn vùng hấp dẫn đến phạm vi electron lượng Δ, giá trị thích hợp Δ 10 KeV Năng lượng hao hụt bị thu hẹp biểu hai lượng hao hụt khối bị hạn chế (S/)Res mô tả lượng xun qua mơi trường đơn vị đường điều bình thường để sử dụng chuyển đổi lượng tuyến tính L Δ đưa đơn vị KeV/m: (2.40) Với mật độ g/cm3, lượng hao hụt hạn chế khối MeV.cm2.g-1 2.5 NGUỒN DỮ LIỆU Dữ liệu hệ số suy giảm photon lượng hao hụt tìm thấy nhiều tài liệu để thuận tiện thu từ trang web dựa nguồn liệu cung cấp Ref [2.3, 2.5] bảng (2.6) Các thành phần mô thể và vật liệu thực đưa [2.4, 2.7] THAM KHẢO 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH ẢNH 29 Hình : Tiết diện tương tác hiệu ứng quang điện Cu, Mo, W Hình 2 góc tán xạ góc khối Hình 3: biến đổi thừa số dạng F/Z tán xạ coherent với chuyển đổi động lượng tham số x Giá trị Carbon, sắt, platinum 11 Hình 4: hình học tán xạ Compton .12 Hình 5: Năng lượng photon thứ cấp hνꞌ so với lượng photon sơ cấp hν tương tác Compton biến đổi góc tán xạ .14 Hình 6: Tiết diện tương tác vi phân tán xạ Compton photon 70 KeV 15 Hình 7: Sự thay đổi hàm tán xạ incoherent chuẩn hóa S/Z với chuyển đổi xung lượng tham số x, liệu carbon, sắt, platinum 16 Hình 8: Hệ số suy giảm khối lượng nước ứng với tương tác, lượng cao biểu diễn bên ngưỡng tạo cặp ba 20 Hình Hệ số tương tác khối lượng tồn phần vật liệu thích hợp cho chẩn đoán X quang 21 Hình 10: Năng lượng hao hụt hụt ion hóa, xạ tồn phần nước vonfram với electron có lượng từ 10 KeV đến 10 MeV .25 30 ... việc hiểu chế, cách thức tạo tia X cách mà tia xạ tương tác, hạt mang ? ?i? ??n tương tác v? ?i vật chất đóng vai trị hêt sưc quan trọng Vì mà mơn chẩn đốn hình ảnh 1, em chọn đề t? ?i tương tác xạ v? ?i. .. gi? ?i hạn phạm vi electron lượng vật chất cản trở 2.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON V? ?I VẬT CHẤT Sự tương tác xạ photons electrons ngẫu nhiên tuân theo luật ngẫu nhiên V? ?i xạ photons, kh? ?i niệm tiết diện... tương tác gắn kết v? ?i mặt cắt cụ thể dùng để làm biểu tượng đ? ?i diện cho tương tác: biểu tượng tiết diện tương tác photon t? ?i tương tác v? ?i nguyên tử gây tượng quang ? ?i? ??n, σcoh đ? ?i diện cho tương
